DE102018100373B4 - Process for vertical keystone correction in projection systems for head-up displays, laser projection devices and vehicles - Google Patents

Process for vertical keystone correction in projection systems for head-up displays, laser projection devices and vehicles Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Projizieren eines Bilds auf eine Oberfläche (32) wobei zumindest ein modulierter Projektionslaser (24) periodisch mit einer ersten Umlenkfrequenz und einer ersten Umlenkamplitude entlang einer ersten Achse (14) und mit einer zweiten Umlenkfrequenz und einer zweiten Umlenkamplitude entlang einer zweiten Achse (16) umgelenkt wird, wobei die zweite Achse (16) von der ersten Achse (14) verschieden ist, und wobei die periodische Umlenkung entlang der ersten Achse (14) und/oder zweiten Achse (16) mit einer Modulationsfrequenz und einer Modulationsamplitude zum Ausgleichen einer Verzerrung des Bilds frequenzmoduliert wird, wobei in einem Einrichtungsschritt die Modulationsfrequenz auf Null eingestellt, eine Verzerrung des Bilds aufgezeichnet, und die Modulationsfrequenz und/oder Modulationsamplitude zum Ausgleich der aufgezeichneten Verzerrung berechnet und auf die erste und/oder zweite Umlenkfrequenz angewendet wird.Method for projecting an image onto a surface (32), wherein at least one modulated projection laser (24) periodically with a first deflection frequency and a first deflection amplitude along a first axis (14) and with a second deflection frequency and a second deflection amplitude along a second axis (16 ) is deflected, wherein the second axis (16) is different from the first axis (14), and wherein the periodic deflection along the first axis (14) and / or second axis (16) with a modulation frequency and a modulation amplitude to compensate for a Distortion of the image is frequency-modulated, the modulation frequency being set to zero in a setting-up step, a distortion of the image being recorded, and the modulation frequency and / or modulation amplitude being calculated to compensate for the recorded distortion and being applied to the first and / or second deflection frequency.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Projizieren eines Bilds auf eine Oberfläche, insbesondere bereitgestellt durch eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, eine Laserprojektionsvorrichtung, die eingerichtet ist, ein solches Verfahren durchzuführen, und ein Fahrzeug mit einer derartigen Laserprojektionsvorrichtung.The invention relates to a method for projecting an image onto a surface, in particular provided by a windshield of a vehicle, a laser projection device which is set up to carry out such a method, and a vehicle with such a laser projection device.

Laserprojektionsvorrichtungen sind allgemein bekannt. Sie setzen in ihrer Intensität modulierte Projektionslaser in den Elementarfarben ein, welche periodisch durch Spiegelsysteme umgelenkt werden. Üblicherweise werden hierzu sogenannte MEMS- (Micro-ElectroMechanical Systems) Spiegel eingesetzt. Hierbei handelt es sich um Mikrospiegel, die auf hohen Frequenzen schwingen können, beispielsweise mithilfe von Piezoelektrischen-Treibern.Laser projection devices are well known. They use projection lasers with modulated intensity in the elementary colors, which are periodically deflected by mirror systems. So-called MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems) mirrors are usually used for this purpose. These are micromirrors that can vibrate at high frequencies, for example with the help of piezoelectric drivers.

Falls die Projektionsachse einer solchen Laserprojektionsvorrichtung nicht orthogonal zu der Projektionsfläche ist, wird das resultierende Bild verzerrt. Falls die Projektionsachse zum Beispiel hin zur Oberfläche geneigt ist, kommt es zu einer Trapezverzerrung des Bilds, der sogenannten Keystone-Verzerrung. Ferner können Verzerrungen auf gekrümmte Oberflächen, die als Projektionsfläche verwendet werden, zurückgeführt werden, zum Beispiel die Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, was insbesondere für Head-Up-Vorrichtungen (HUD), die zum Projizieren von Informationen auf die Windschutzscheibe verwendet werden, problematisch ist.If the projection axis of such a laser projection device is not orthogonal to the projection surface, the resulting image will be distorted. If the projection axis is inclined towards the surface, for example, the image will be trapezoidal distortion, known as keystone distortion. Furthermore, distortions can be attributed to curved surfaces used as projection surfaces, for example the windshield of a vehicle, which is particularly problematic for head-up devices (HUD), which are used to project information onto the windshield.

Es ist bekannt, eine solche Verzerrung durch den Einsatz bestimmter Optiken, zum Beispiel Linsensysteme, auszugleichen. Eine weitere Möglichkeit zum Ausgleich von Verzerrungen besteht in der Berechnung einer Vor-Verzerrung für das projizierte Bild, so dass sich eine unverzerrte Projektion ergibt. Beide Verfahren sind vergleichsweise kompliziert und können nicht auf einfache Weise an sich verändernde Projektionsbedingungen angepasst werden.It is known to compensate for such a distortion by using certain optics, for example lens systems. Another possibility for compensating for distortions is to calculate a pre-distortion for the projected image, so that an undistorted projection results. Both methods are comparatively complicated and cannot be easily adapted to changing projection conditions.

WO 2011/007 386 A2 offenbart ein Korrekturverfahren für Laserscanprojektoren durch Variation der Scanamplitude, was ein kompliziertes Treibersystem für die MEMS-Spiegel erfordert, das auf schnelle Veränderungen in den Schwingungsmodi der Piezotreiber ansprechen können muss. WO 2011/007 386 A2 discloses a correction method for laser scan projectors by varying the scan amplitude, which requires a complicated drive system for the MEMS mirrors that must be able to respond to rapid changes in the oscillation modes of the piezo drivers.

US 2014/0078121 A1 offenbart eine Bildanzeigevorrichtung umfassend eine Lichtquelle, die einen Laserstrahl aussendet, einen Abtastspiegel, der ein Bild durch vertikales und horizontales Abtasten des Laserstrahls durch Schwenken projiziert, und einen Abtaststeuerungsabschnitt, der die horizontale Abtastamplitude des Abtastspiegels auf der Seite eines Projektionsbildes mit einer reduzierten Länge relativ groß im Vergleich zur horizontalen Abtastamplitude des Abtastspiegels auf der Seite des Projektionsbildes mit einer vergrößerten Länge in Bezug auf Verzerrung darstellt, wobei die Länge der Oberseite des Projektionsbildes und die Länge der Unterseite des Projektionsbildes voneinander verschieden sind. US 2014/0078121 A1 discloses an image display device comprising a light source that emits a laser beam, a scanning mirror that projects an image by scanning the laser beam vertically and horizontally by panning, and a scanning control section that relatively large the horizontal scanning amplitude of the scanning mirror on the side of a projection image with a reduced length compared to the horizontal scanning amplitude of the scanning mirror on the side of the projection image with an enlarged length in relation to distortion, the length of the top of the projection image and the length of the bottom of the projection image being different from each other.

US 6 140 979 A offenbart eine Anzeigevorrichtung umfassend eine Bildquelle, die um zwei Achsen scannt. Um die Bewegung um eine erste der Achsen während des Schwingens um die zweite Achse zu kompensieren, beinhaltet die Vorrichtung eine Struktur zum Erzeugen einer Ausgleichsbewegung um die erste Achse mit einer Abtastrate, die gleich der doppelten Abtastrate um die zweite Achse ist. Der Offset-Scan kann eine Rampe oder eine andere Bewegung sein. Die Ausgleichsbewegung kann durch einen Hilfsscanner, wie beispielsweise einen mechanischen Scanner, einen piezoelektrischen Scanner, einen MEMsscanner oder einen anderen Scanner erzeugt werden. Da die Versatzbewegung sehr klein ist, kann der Zusatzscanner mit einem sehr kleinen Abtastwinkel arbeiten. U.S. 6,140,979 A discloses a display device comprising an image source that scans about two axes. In order to compensate for the movement about a first of the axes while oscillating about the second axis, the device includes a structure for generating a compensating movement about the first axis at a sampling rate which is equal to twice the sampling rate about the second axis. The offset scan can be a ramp or some other movement. The compensatory movement can be generated by an auxiliary scanner, such as a mechanical scanner, a piezoelectric scanner, a MEMS scanner or another scanner. Since the offset movement is very small, the additional scanner can work with a very small scanning angle.

US 2013/0120819 A1 offenbart ein Abtaststrahlprojektionssystem umfassend einen Abtastspiegel mit einer schnellen Abtastachse und einer langsamen Abtastachse. Die Bewegung auf der Schnellabtastachse wird durch ein Schnellabtastspiegelsteuerungssystem gesteuert. Das Steuersystem empfängt Positionsinformationen, die die Winkelverschiebung des Spiegels beschreiben. Es wird ein schnelles Abtastantriebssignal erzeugt, das bewirkt, dass der Abtastspiegel mit einer Resonanzfrequenz mit unterschiedlicher Amplitude schwingt. US 2013/0120819 A1 discloses a scanning beam projection system comprising a scanning mirror having a fast scan axis and a slow scan axis. Movement on the fast scan axis is controlled by a fast scan mirror control system. The control system receives position information describing the angular displacement of the mirror. A fast scan drive signal is generated which causes the scan mirror to vibrate at a resonant frequency with a different amplitude.

Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht somit darin, ein Verfahren und eine Laserprojektionsvorrichtung anzugeben, die eine schnelle, leichte und flexible Korrektur von Verzerrungen ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit einer derartigen Laserprojektionsvorrichtung anzugeben.The technical problem on which the present invention is based thus consists in specifying a method and a laser projection device which enable distortions to be corrected quickly, easily and flexibly. Another object of the present invention is to specify a vehicle with such a laser projection device.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Laserprojektionsvorrichtung nach Anspruch 11, und ein Fahrzeug nach Anspruch 14 gelöst.This object is achieved by a method according to claim 1, a laser projection device according to claim 11, and a vehicle according to claim 14.

Bei einem Verfahren zum Projizieren eines Bilds auf eine Oberfläche, insbesondere auf eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, wird erfindungsgemäß zumindest ein modulierter Projektionslaser periodisch mit einer ersten Umlenkfrequenz und einer ersten Umlenkamplitude entlang einer ersten Achse und mit einer zweiten Umlenkfrequenz und einer zweiten Umlenkamplitude entlang einer zweiten Achse umgelenkt, wobei die zweite Achse von der ersten Achse verschieden, insbesondere orthogonal zu dieser, ist, und wobei die periodische Umlenkung entlang der ersten und/oder zweiten Achse mit einer Modulationsfrequenz und einer Modulationsamplitude zum Ausgleichen einer Verzerrung des Bilds moduliert wird.In a method for projecting an image onto a surface, in particular onto a windshield of a vehicle, according to the invention at least one modulated projection laser is periodically with a first deflection frequency and a first deflection amplitude along a first axis and with a second deflection frequency and a second deflection amplitude along a second axis deflected, the second axis being different from the first axis, in particular orthogonally to this, and wherein the periodic deflection is modulated along the first and / or second axis with a modulation frequency and a modulation amplitude to compensate for a distortion of the image.

Durch das Bereitstellen einer Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation vermittels Überlagerung einer Modulationsschwingung in der oben genannten Weise wird ein besonders einfaches Verfahren bereitgestellt. Dies ermöglicht es beispielsweise, einen MEMS-Spiegel mit zwei herkömmlichen Piezo-Treibern für die erste und zweite Umlenkungsschwingung zu treiben, und einen dritten Treiber einzusetzen, um die Modulationsschwingung bereitzustellen. Auf diese Weise müssen keine besonders hochpräzisen Piezo-Treiber für die mit dem obigen Verfahren verwendete Vorrichtung eingesetzt werden.By providing a frequency and / or amplitude modulation by superimposing a modulation oscillation in the above-mentioned manner, a particularly simple method is provided. This makes it possible, for example, to drive a MEMS mirror with two conventional piezo drivers for the first and second deflection oscillation, and to use a third driver to provide the modulation oscillation. In this way, no particularly high-precision piezo drivers have to be used for the device used with the above method.

Hierbei wird in einem Einrichtungsschritt die Modulationsfrequenz auf Null eingestellt, eine Verzerrung des Bilds aufgezeichnet, und die Modulationsfrequenz und/oder Modulationsamplitude zum Ausgleich der aufgezeichneten Verzerrung berechnet und auf die erste und/oder zweite Umlenkfrequenz angewendet. Mit anderen Worten wird während des Einrichtungsschritts ein verzerrtes Bild erzeugt und aufgezeichnet und als Grundlage für die Bestimmung von Korrekturfaktoren verwendet. Dies ist besonders flexible , da es die Anpassung der Projektion an sich ändernde geometrische Bedingungen ermöglicht, insbesondere an sich ändernde Projektionsoberflächen.Here, in a setup step, the modulation frequency is set to zero, a distortion of the image is recorded, and the modulation frequency and / or modulation amplitude is calculated to compensate for the recorded distortion and applied to the first and / or second deflection frequency. In other words, a distorted image is generated and recorded during the setup step and used as a basis for determining correction factors. This is particularly flexible since it enables the projection to be adapted to changing geometric conditions, in particular to changing projection surfaces.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der ersten Achse um eine horizontale Achse des projizierten Bilds und bei der zweiten Achse um eine vertikale Achse des projizierten Bilds.In a further preferred embodiment of the invention, the first axis is a horizontal axis of the projected image and the second axis is a vertical axis of the projected image.

Dies ermöglicht ein besonders einfaches Treiberprogramm, da der Pfad der Projektionslaser unmittelbar den vertikalen und horizontalen Koordinaten des Quellbilds sowie der Projektionsoberfläche entspricht.This enables a particularly simple driver program, since the path of the projection laser corresponds directly to the vertical and horizontal coordinates of the source image and the projection surface.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Modulationsfrequenz für die zweite Achse mit der Umlenkfrequenz für die erste Achse synchronisiert.In a further preferred embodiment of the invention, the modulation frequency for the second axis is synchronized with the deflection frequency for the first axis.

Auf diese Weise kann die vertikale Erstreckung des projizierten Bilds in Abhängigkeit von der Horizontalposition moduliert werden. Dies ermöglicht einen einfachen und unmittelbaren Ausgleich von Keystone-Verzerrungen und kann ebenfalls eingesetzt werden, um Verzerrungen zu korrigieren, die durch gekrümmte Oberflächen wie Windschutzscheiben verursacht werden.In this way, the vertical extension of the projected image can be modulated as a function of the horizontal position. This allows for easy and immediate compensation for keystone distortion and can also be used to correct distortion caused by curved surfaces such as windshields.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch Anwenden der Modulation auf die Umlenkung entlang der zweiten Achse die zweite Umlenkungsamplitude moduliert durch einen maximalen Winkel α = a t a n { [ tan ( θ v 2 δ v ) + tan ( θ v 2 + δ v ) ] × cos ( θ h 2 + δ h ) × cos ( θ h 2 δ h ) cos ( θ h 2 δ h ) [ tan ( θ v 2 δ v ) × tan ( θ v 2 + δ v ) × cos 2 ( θ h 2 + δ h ) ] }

Figure DE102018100373B4_0001
was zu einer maximalen Winkelabweichung gegenüber der nicht-modulierten Umlenkung von ϑ = θ v α 2
Figure DE102018100373B4_0002
führt, wobei θh den Winkel des horizontalen Sichtfelds der Projektion bezeichnet, θv den Winkel des vertikalen Sichtfelds der Projektion bezeichnet, δh den horizontalen Kippwinkel der Verzerrung bezeichnet, δv den vertikalen Kippwinkel der Verzerrung bezeichnet, α den Gesamtmaximalausgleichswinkel bezeichnet, und ϑ die maximale Ausgleichswinkelabweichung bezeichnet.In a further preferred embodiment of the invention, by applying the modulation to the deflection along the second axis, the second deflection amplitude is modulated by a maximum angle α = a t a n { [ tan ( θ v 2 - δ v ) + tan ( θ v 2 + δ v ) ] × cos ( θ H 2 + δ H ) × cos ( θ H 2 - δ H ) cos ( θ H 2 - δ H ) - [ tan ( θ v 2 - δ v ) × tan ( θ v 2 + δ v ) × cos 2 ( θ H 2 + δ H ) ] }
Figure DE102018100373B4_0001
resulting in a maximum angular deviation compared to the non-modulated deflection of ϑ = θ v - α 2
Figure DE102018100373B4_0002
leads, where θh denotes the angle of the horizontal field of view of the projection, θv denotes the angle of the vertical field of view of the projection, δh denotes the horizontal tilt angle of the distortion, δv denotes the vertical tilt angle of the distortion, α denotes the total maximum compensation angle, and ϑ denotes the maximum compensation angle deviation.

Die oben dargestellten mathematischen Zusammenhänge stellen einen unmittelbaren Zusammenhang zwischen der Projektionsgeometrie und der erforderlichen Amplitudenmodulation für den Ausgleich der Verzerrung bereit. Es ist besonders bemerkenswert, dass die Modulationsfrequenz und die Modulationsamplitude zum Ausgleichen der Verzerrung eine konstante Funktion ist, so dass es nicht erforderlich ist, dass der Modulationstreiber der MEMS-Vorrichtung, der für die Projektion verwendet wird, schnelle Änderungen in seinen Schwingungseinstellungen durchführen muss.The mathematical relationships presented above provide a direct relationship between the projection geometry and the amplitude modulation required to compensate for the distortion. It is particularly noteworthy that the modulation frequency and amplitude to compensate for the distortion is a constant function so that the modulation driver of the MEMS device used for projection is not required to make rapid changes in its vibrational settings.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Wellenform für die periodische Umlenkung entlang der zweiten Achse gegeben durch: y o r i g i n a l = θ v 2 cos ( 2 π f r 2 )

Figure DE102018100373B4_0003
und die Wellenform für die periodische Modulation entlang der zweiten Achse ist gegeben durch: y c o m p = v i n i t + α 2 cos ( 2 π f r 2 )
Figure DE102018100373B4_0004
wobei der anfängliche Ausgleich v i n i t = 2 δ v ϑ θ v
Figure DE102018100373B4_0005
beträgt.In a further preferred embodiment of the invention, the waveform for the periodic deflection along the second axis is given by: y O r i G i n a l = θ v 2 cos ( 2 π f r 2 )
Figure DE102018100373B4_0003
and the waveform for periodic modulation along the second axis is given by: y c O m p = v i n i t + α 2 cos ( 2 π f r 2 )
Figure DE102018100373B4_0004
being the initial balance v i n i t = - 2 δ v ϑ θ v
Figure DE102018100373B4_0005
amounts to.

In den Gleichungen oben bezeichnet fr die Wiederholungsfrequenz der Projektion. Wie die oben genannten Modulationsparameter ist die Wellenform für die periodische Umlenkung entlang der zweiten Achse eine unveränderliche Funktion, so dass der Piezo-Treiber für die zweite Achse sowie der Piezo-Treiber für die Modulation jeweils durch konstante, sich nicht verändernde Parameter gesteuert werden können.In the equations above, denotes the repetition frequency of the projection. Like the modulation parameters mentioned above, the waveform for the periodic deflection along the second axis is an immutable function, so that the piezo driver for the second axis and the piezo driver for the modulation can each be controlled by constant, unchanging parameters.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Oberfläche, auf die das Bild projiziert wird, gekrümmt.In a further preferred embodiment of the invention, the surface onto which the image is projected is curved.

Dies ermöglicht es, das oben beschriebene Verfahren zum Projizieren auf Oberflächen wie Windschutzscheiben von Fahrzeugen zu verwenden, zum Beispiel für die Verwendung als Head-Up-Vorrichtung, um einem Fahrer unmittelbar auf der Windschutzscheibe Informationen bereitzustellen, die sich mit seiner Sicht auf die Umgebung des Fahrzeugs überlagern.This makes it possible to use the above-described method for projecting onto surfaces such as windshields of vehicles, for example for use as a head-up device in order to provide a driver with information directly on the windshield that relates to his view of the surroundings Overlay vehicle.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Modulationsfrequenz und/oder -Amplitude für die erste und/oder zweite Achse durch Berechnung des Schnittpunkts eines Strahls, der auf eine gedachte Ebene tangential zu der gekrümmten Oberfläche projiziert, mit der gekrümmten Oberfläche bestimmt.In a further preferred embodiment of the invention, the modulation frequency and / or amplitude for the first and / or second axis is determined by calculating the point of intersection of a ray, which projects onto an imaginary plane tangential to the curved surface, with the curved surface.

Dies ermöglicht eine einfache geometrische Bestimmung der Korrekturparameter, die zur Bereitstellung eines verzerrungsfreien Bildes auf einer gekrümmten Projektionsoberfläche benötigt werden.This enables a simple geometric determination of the correction parameters that are required to provide a distortion-free image on a curved projection surface.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die periodische Umlenkung entlang der ersten Achse und der zweiten Achse durch einen MEMS-Spiegel mit zwei Achsen, die der ersten und zweiten Achse entsprechen, bereitgestellt, und wobei ein erster Aktuator den Spiegel entlang der ersten Achse mit der ersten Umlenkfrequenz schwingt, und ein zweiter Aktuator den Spiegel entlang der zweiten Achse mit der zweiten Umlenkfrequenz schwingt, und zumindest ein weiterer Aktuator die erste und/oder zweite Achse mit der Modulationsfrequenz schwingt.In a further preferred embodiment of the invention, the periodic deflection along the first axis and the second axis is provided by a MEMS mirror with two axes that correspond to the first and second axes, and a first actuator with the mirror along the first axis the first deflection frequency oscillates, and a second actuator oscillates the mirror along the second axis at the second deflection frequency, and at least one further actuator oscillates the first and / or second axis at the modulation frequency.

Die ermöglicht den Einsatz von besonders einfacher und kompakter Projektionshardware, da bekannte herkömmliche MEMS-Spiegelsysteme nur mit einem zusätzlichen Aktuator aufgerüstet werden müssen, um die benötigte Modulation bereitzustellen, so dass die Gesamtgröße des für die Projektion verwendeten MEMS-Spiegelsystems größtenteils unverändert bleibt.This enables the use of particularly simple and compact projection hardware, since known conventional MEMS mirror systems only need to be upgraded with an additional actuator in order to provide the required modulation, so that the overall size of the MEMS mirror system used for the projection remains largely unchanged.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die periodische Umlenkung entlang der ersten Achse durch einen ersten MEMS-Spiegel bereitgestellt, und die periodische Umlenkung entlang der zweiten Achse wird durch einen zweiten MEMS-Spiegel bereitgestellt, und wobei ein ersten Aktuator den ersten Spiegel entlang der ersten Achse mit der ersten Umlenkfrequenz schwingt, und ein zweiter Aktuator den zweiten Spiegel entlang der zweiten Achse mit der zweiten Umlenkfrequenz schwingt, und zumindest ein weiterer Aktuator zumindest einen weiteren Spiegel entlang der ersten und/oder zweiten Achse mit der Modulationsfrequenz schwingt.In a further preferred embodiment of the invention, the periodic deflection along the first axis is provided by a first MEMS mirror, and the periodic deflection along the second axis is provided by a second MEMS mirror, and a first actuator along the first mirror first axis oscillates at the first deflection frequency, and a second actuator oscillates the second mirror along the second axis at the second deflection frequency, and at least one further actuator oscillates at least one further mirror along the first and / or second axis at the modulation frequency.

Diese alternative Ausführungsform kann dazu verwendet werden, bestehende MEMS-Projektionssysteme aufzurüsten, da nur das Hinzufügen eines dritten Spiegels mit einem zugeordneten Aktuator notwendig ist.This alternative embodiment can be used to upgrade existing MEMS projection systems, since only the addition of a third mirror with an associated actuator is necessary.

Die Erfindung betrifft ferner eine Laserprojektionsvorrichtung, die eingerichtet ist, ein Verfahren wie oben beschrieben durchzuführen, sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Laserprojektionsvorrichtung, die bevorzugt als Head-Up-Display Projektionsvorrichtung zum Projizieren eines Bilds auf eine Windschutzscheibe des Fahrzeugs verwendet wird.The invention also relates to a laser projection device which is set up to carry out a method as described above, and to a vehicle with such a laser projection device which is preferably used as a head-up display projection device for projecting an image onto a windshield of the vehicle.

Es ist bevorzugt, dass der erste Aktuator einen Piezo-Aktuator umfasst, insbesondere einen elektrostatischen Aktuator, und/oder der zweiten Aktuator einen Piezo-Aktuator umfasst, insbesondere einen elektromagnetischen Aktuator, und/oder der dritte Aktuator einen Piezo-Aktuator umfasst, insbesondere einen elektrostatischen Aktuator.It is preferred that the first actuator comprises a piezo actuator, in particular an electrostatic actuator, and / or the second actuator comprises a piezo actuator, in particular an electromagnetic actuator, and / or the third actuator comprises a piezo actuator, in particular one electrostatic actuator.

In allen diesen Fällen kommen die oben beschriebenen Vorteile ebenfalls zum Tragen.In all of these cases, the advantages described above also apply.

Nachfolgend werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:

  • 1 eine schematische Darstellung eines MEMS-Spiegelsystems mit zwei Achsen und einem Spiegel zur Verwendung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung eines MEMS-Spiegelsystems mit zwei Achsen und drei Spiegeln zur Verwendung in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine schematische Darstellung des Strahlengangs eines MEMS-Projektionssystems über eine Projektionsoberfläche;
  • 4 schematische Darstellungen von verschiedenen Verzerrungstypen während der Laserprojektion;
  • 5 ein Ablaufdiagramm für ein Beispiel eines Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 6 schematische Darstellungen der Ausgleichsmodulation gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 7 eine schematische Ansicht der geometrischen Bedingungen während einer winkelversetzten Projektion;
  • 8 schematische Ansichten der resultierenden Wellenformen der Modulationsspiegelbewegung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 9 eine schematische Ansicht der geometrischen Bedingungen während der Projektion auf eine gekrümmte Oberfläche.
The invention and its embodiments are described in detail below with reference to the drawings. The drawings show in:
  • 1 a schematic representation of a MEMS mirror system with two axes and a mirror for use in a first embodiment of the present invention;
  • 2 a schematic representation of a MEMS mirror system with two axes and three mirrors for use in a second embodiment of the present invention;
  • 3 a schematic representation of the beam path of a MEMS projection system over a projection surface;
  • 4th schematic representations of different types of distortion during laser projection;
  • 5 a flow chart for an example of a method according to the present invention;
  • 6th schematic representations of the equalization modulation according to an embodiment of the present invention;
  • 7th a schematic view of the geometric conditions during an angularly offset projection;
  • 8th schematic views of the resultant waveforms of modulating mirror movement according to an embodiment of the present invention; and
  • 9 a schematic view of the geometric conditions during projection onto a curved surface.

Wie in 1 dargestellt weist eine MEMS-Vorrichtung 10 für eine Laserprojektionsvorrichtung einen Spiegel 12 auf, der um eine erste Achse 14 und eine zweite Achse 16 geschwungen werden kann, wobei die Achsen 14, 16 bevorzugt orthogonal zueinander sind. Die Schwingung um die erste Achse 14 wird durch einen ersten Aktuator 18 angetrieben, bei dem es sich um einen Piezo-Aktuator, insbesondere einen elektrostatischen Aktuator handeln kann. Die Schwingung um die zweite Achse 16 wird vorwiegend durch einen zweiten Aktuator 20 angetrieben, bei dem es sich ebenfalls im einen Piezoaktuator, insbesondere einen elektromagnetischen Aktuator handeln kann. Um die Schwingung um die zweite Achse 16 zu modulieren, ist ein dritter Aktuator 22 an der zweiten Achse 16 angeordnet. Der dritte Aktuator 22 vermittelt eine zweite Schwingungsfunktion, mit der die erste Schwingungsfunktion, die durch den zweiten Aktuator 20 bereitgestellt wird, überlagert wird, um Verzerrungen in dem projizierten Bild auszugleichen.As in 1 shown comprises a MEMS device 10 a mirror for a laser projection device 12th on that around a first axis 14th and a second axis 16 can be swung with the axes 14th , 16 are preferably orthogonal to one another. The oscillation around the first axis 14th is by a first actuator 18th driven, which can be a piezo actuator, in particular an electrostatic actuator. The oscillation around the second axis 16 is mainly through a second actuator 20th driven, which can also be a piezo actuator, in particular an electromagnetic actuator. About the oscillation around the second axis 16 to modulate is a third actuator 22nd on the second axis 16 arranged. The third actuator 22nd imparts a second oscillation function with which the first oscillation function generated by the second actuator 20th is provided, is overlaid to compensate for distortion in the projected image.

Alternativ, wie in 2 dargestellt, wird Licht, das von einem Laser 24 erzeugt wird, der ebenfalls mehrere Laserquellen in mehreren Farben aufweisen kann, welche zeitabhängig in ihrer Intensität moduliert werden können, zunächst über einen ersten Spiegel 26 reflektiert, der durch einer ersten Aktuator (in der Figur nicht dargestellt) um die erste Achse 14 geschwungen werden kann. Das reflektierte Licht wird auf einen zweiten Spiegel 28 gelenkt, der um eine erste zweite Achse 16 geschwungen werden kann, und weiter auf einen dritten Spiegel 30 gelenkt, der ebenfalls zur Schwingung um eine zweite zweite Achse 16 geeignet ist. In dieser Ausführungsform stellt der dritte Spiegel 30 die Funktion des Vermittelns einer Modulationsschwingung auf die Schwingung bereit, die durch den zweiten Spiegel 28 bereitgestellt wird, wiederum um Verzerrungen in dem projizierten Bild auszugleichen.Alternatively, as in 2 shown, light that is generated by a laser 24, which can also have several laser sources in several colors, the intensity of which can be modulated as a function of time, is initially via a first mirror 26th reflected by a first actuator (not shown in the figure) about the first axis 14th can be swung. The reflected light is on a second mirror 28 steered around a first second axis 16 can be swung, and on to a third mirror 30th steered, which also oscillates around a second axis 16 suitable is. In this embodiment, the third mirror represents 30th the function of imparting a modulation oscillation to the oscillation prepared by the second mirror 28 is provided, again to compensate for distortions in the projected image.

In Folge der oben beschriebenen Schwingungen quert das projizierte Laserlicht eine Projektionsfläche 32, wie in 3 dargestellt, wobei sich der Laser horizontal mitbewegt, also entlang der ersten Achse, welche die X-Achse ist, und langsam in einem vertikalen Muster bewegt wird, also entlang der zweiten Achse, welche die Y-Achse ist.As a result of the vibrations described above, the projected laser light crosses a projection surface 32 , as in 3 where the laser moves horizontally, that is, along the first axis, which is the X-axis, and is slowly moved in a vertical pattern, that is, along the second axis, which is the Y-axis.

Ein typisches Beispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass:

  • Um eine Bildwiederholungsrate von 60 Hz mit 1200 Zeilen zu erzielen, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein:
    • - vertikale Achse (Y-Achse) schwingt 30 Hz (60 Hz/2) -> mit Periode = 33,333 ms
    • - horizontale Achse (X-Achse) schwingt 18 kHz (vertikale Auflösung * vertikale Schwingung /2)
A typical example is characterized in that:
  • To achieve a refresh rate of 60 Hz with 1200 lines, the following conditions must be met:
    • - vertical axis (Y-axis) oscillates 30 Hz (60 Hz / 2) -> with period = 33.333 ms
    • - horizontal axis (X-axis) oscillates 18 kHz (vertical resolution * vertical oscillation / 2)

Deshalb wird die vertikale Achse oftmals als die langsame Achse bezeichnet (aufgrund der Schwingung mit geringerer Frequenz), wohingegen die horizontale Achse als die schnelle Achse betrachtet wird.Therefore, the vertical axis is often referred to as the slow axis (due to the lower frequency vibration) while the horizontal axis is considered to be the fast axis.

Die ideale Projektionsgeometrie, wie in 3 dargestellt, kann im Allgemeinen nur erzielt werden, falls die Projektionsachse absolut senkrecht zu der Projektionsoberfläche 32 ist. In vielen Fällen kann dies nicht erzielt werden, was zu Verzerrungen des projizierten Bilds 34', 34'' auf der Projektionsoberfläche 32 führt, wie in 4 dargestellt. Die gleiche Thematik ergibt sich aus der Projektion auf eine nicht-flache Oberfläche, zum Beispiel eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs. The ideal projection geometry, as in 3 shown, can generally only be achieved if the projection axis is absolutely perpendicular to the projection surface 32 is. In many cases this cannot be achieved, resulting in distortion of the projected image 34 ' , 34 '' on the projection surface 32 leads, as in 4th shown. The same topic arises from the projection onto a non-flat surface, for example a windshield of a vehicle.

Um solche Verzerrungen auszugleichen, kann ein Verfahren gemäß der Erfindung und wie in dem Ablaufdiagramm 5 dargestellt eingesetzt werden. Nach einem Initialisierungsschritt S10 wird die Form eines projizierten Bilds unter den gegebenen geometrischen Bedingungen in Schritt S12 berechnet. In dem nachfolgenden Schritt S14 wird überprüft, ob das projizierte Bild rechteckig ist, also verzerrungsfrei; und falls dies nicht der Fall ist, wird in Schritt S16 ein Verzerrungsausgleich, insbesondere ein Keystone-Ausgleich, angewendet, wohingegen andernfalls, falls keine Verzerrung vorliegt, das Verfahren unmittelbar zu einem nachfolgenden Schritt S18 übergeht. In Schritt S18 wird bestimmt, ob das Seitenverhältnis des Bilds das gleiche ist wie bei der anfänglichen Einstellung; mit anderen Worten wird überprüft, ob zusätzliche Verzerrungseffekte vorliegen. Falls dies nicht der Fall ist, prüft ein nachfolgender Schritt S20, ob die vertikale Höhe des resultierenden Bilds höher ist, als sie gemäß dem anfänglichen Seitenverhältnis des Bilds sein sollte. Falls dies der Fall ist, wird ein vertikaler Ausgleich angewendet, der erfolgen kann, indem die Frequenzmodulation des dritten Aktuators 22 (1) oder des dritten Spiegels 30 (2) verändert wird. In einem weiteren Schritt S24 wird überprüft, ob die horizontale Länge des resultierenden Bilds länger ist, als sie gemäß des Seitenverhältnisses zu Beginn sein sollte. Falls dies der Fall ist, wird ein weiterer horizontaler Ausgleich in Schritt S26 angewendet. Falls alle Korrekturen wie gewünscht angewendet werden, endet das Verfahren in Schritt S28, und ein verzerrungsfreies Bild mit korrekter Größe kann projiziert werden.In order to compensate for such distortions, a method according to the invention and as shown in flowchart 5 can be used. After an initialization step S10 becomes the shape of a projected image given the geometric conditions in step S12 calculated. In the next step S14 it is checked whether the projected image is rectangular, i.e. free of distortion; and if this is not the case, in step S16 a distortion compensation, in particular a keystone compensation, is applied, whereas otherwise, if there is no distortion, the method goes directly to a subsequent step S18 transforms. In step S18 it is determined whether the aspect ratio of the image is the same as the initial setting; in other words, it is checked whether there are additional distortion effects. If this is not the case, a subsequent step checks S20 whether the vertical height of the resulting image is higher than it should be according to the image's initial aspect ratio. If so, vertical compensation is applied, which can be done by frequency modulating the third actuator 22nd ( 1 ) or the third Mirror 30th ( 2 ) is changed. In a further step S24 it is checked whether the horizontal length of the resulting image is longer than it should be according to the aspect ratio at the beginning. If this is the case, a further horizontal adjustment is made in step S26 applied. If all corrections are applied as desired, the method ends in step S28 , and a correctly sized, distortion-free image can be projected.

Die Einzelheiten der Korrektur für Verzerrungen entlang der vertikalen Achse mit der Ausführungsform aus 1 sind in 6 dargestellt. Eine Funktionskurve 36 zeigt die nicht-modulierte Schwingung des Spiegels 12 entlang der zweiten Achse 16, wohingegen die Funktionskurve 38 die Modulationsschwingung des Spiegels 12 entlang der gleichen Achse darstellt. Da der Ausgleich mit der Horizontalachsenbewegung synchronisiert ist, hängt die Gesamtvertikalumlenkung des Laserstrahls von der horizontalen Position ab. Dies kann trapezförmige Verzerrungen, die aus einem schrägen Projektionswinkel zwischen der MEMS-Vorrichtung 10 und der Projektionsoberfläche 32 resultieren, sowie Verzerrungen, die aus der Projektion auf eine gekrümmte Projektionsoberfläche resultieren, korrigieren.The details of the correction for distortion along the vertical axis with the embodiment 1 are in 6th shown. A function curve 36 shows the non-modulated oscillation of the mirror 12th along the second axis 16 , whereas the function curve 38 shows the modulation oscillation of the mirror 12th along the same axis. Since the compensation is synchronized with the horizontal axis movement, the total vertical deflection of the laser beam depends on the horizontal position. This can be trapezoidal distortion resulting from an oblique projection angle between the MEMS device 10 and the projection surface 32 and correct distortions resulting from projection onto a curved projection surface.

Die geometrische Grundlage hierfür ist in 6 dargestellt. Wie ersichtlich ist, hat die Ausgleichsmodulationsschwing eine Gesamtwinkelamplitude α, was in einer Differenz ϑ zwischen der nicht-korrigierten Schwingung und der Modulationsschwingung (also maximale Ausgleichsamplitude) resultiert, wobei θv die Gesamtamplitude der nicht korrigierten Schwingung des Spiegels entlang der zweiten Achse 16 bezeichnet (also vertikales Sichtfeld (FoV)).The geometric basis for this is in 6th shown. As can be seen, the compensation modulation oscillation has a total angular amplitude α , which results in a difference ϑ between the uncorrected oscillation and the modulation oscillation (i.e. maximum compensation amplitude), where θv is the total amplitude of the uncorrected oscillation of the mirror along the second axis 16 referred to (i.e. vertical field of view (FoV)).

Unter jetziger Bezugnahme auf 7: Mit den Koordinaten (x1, y1), die die obere linke Ecke des projizierten Bilds angeben, (x2, y2), die die obere rechte Ecke des projizierten Bilds angeben, (x3, y3), die die untere linke Ecke des projizierten Bilds angeben, und (x4, y4), die die untere rechte Ecke des projizierten Bilds angeben, können die benötigten Korrekturwinkel für die obere rechte und untere rechte Ecke durch die Winkel β und γ bezeichnet werden.Referring now to 7th : With the coordinates (x1, y1) indicating the upper left corner of the projected image, (x2, y2) indicating the upper right corner of the projected image, (x3, y3) indicating the lower left corner of the projected image and (x4, y4), which indicate the lower right corner of the projected image, can specify the required correction angles for the upper right and lower right corners by the angles β and γ are designated.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

θ hθ h
bezeichnet den Winkel des horizontalen Sichtfelds der Projektion,denotes the angle of the horizontal field of view of the projection,
θ vθ v
bezeichnet den Winkel des vertikalen Sichtfelds der Projektion,denotes the angle of the vertical field of view of the projection,
δ hδ h
bezeichnet den horizontalen Kippwinkel des projizierten Bilds,denotes the horizontal tilt angle of the projected image,
δ vδ v
bezeichnet den vertikalen Kippwinkel des projizierten Bilds,denotes the vertical tilt angle of the projected image,
θθ
bezeichnet die maximale Ausgleichsamplitude,denotes the maximum compensation amplitude,
αα
bezeichnet die Gesamtmaximalausgleichsamplitude,denotes the total maximum compensation amplitude,
ββ
bezeichnet die oberseitige, vertikale, maximale Ausgleichsamplitude,denotes the top, vertical, maximum compensation amplitude,
γγ
bezeichnet die unterseitige, vertikale maximale Ausgleichsamplitude,denotes the underside, vertical maximum compensation amplitude,
dd
bezeichnet den Abstand zwischen der MEMS-Vorrichtung 10 und der Projektionsoberfläche 32, undrefers to the distance between the MEMS device 10 and the projection surface 32 , and
x1 bis x4x1 to x4
bezeichnen die Grenzecken des projizierten Bilds auf der X-Achse, unddenote the boundary corners of the projected image on the X-axis, and
y1 bis y4y1 to y4
bezeichnen die Grenzecken des projizierten Bilds auf der Y-Achse.denote the boundary corners of the projected image on the Y-axis.

Aus der grundlegenden Geometrie dieser Projektion ist ersichtlich, dass der Winkel β folgender Gleichung (1) folgt: β = atan ( y 2 × cos ( θ h 2 + δ h ) × 1 d ) + δ v

Figure DE102018100373B4_0006
Die vertikale Koordinate der oberen rechten Ecke folgt Gleichung (2): y 2 = d cos ( θ h 2 δ h ) × tan ( θ v 2 δ v )
Figure DE102018100373B4_0007
Dies führt auf Gleichung (3): β = atan { tan ( θ v 2 + δ v ) × cos ( θ h 2 + δ h ) cos ( θ h 2 δ h ) } + δ v
Figure DE102018100373B4_0008
Analog folgt Winkel γ Gleichung (4): γ = atan { tan ( θ v 2 δ v ) × cos ( θ h 2 + δ h ) cos ( θ h 2 δ h ) } δ v
Figure DE102018100373B4_0009
Da die benötigte Gesamtamplitude α der Summe der Winkel β und γ entspricht, folgt aus der allgemein bekannten Gleichung (5), die für alle u, v gilt: atan  u + atan  u = u + v 1 u v
Figure DE102018100373B4_0010
dass gemäß Gleichung (6) α = a t a n { [ tan ( θ v 2 δ v ) + tan ( θ v 2 + δ v ) ] × cos ( θ h 2 + δ h ) × cos ( θ h 2 δ h ) cos ( θ h 2 δ h ) [ tan ( θ v 2 δ v ) × tan ( θ v 2 + δ v ) × cos 2 ( θ h 2 + δ h ) ] }
Figure DE102018100373B4_0011
mit Gleichung (7) ϑ = θ v α 2
Figure DE102018100373B4_0012
gilt.From the basic geometry of this projection it can be seen that the angle β the following equation (1) follows: β = atan ( y 2 × cos ( θ H 2 + δ H ) × 1 d ) + δ v
Figure DE102018100373B4_0006
The vertical coordinate of the upper right corner follows equation (2): y 2 = d cos ( θ H 2 - δ H ) × tan ( θ v 2 - δ v )
Figure DE102018100373B4_0007
This leads to equation (3): β = atan { tan ( θ v 2 + δ v ) × cos ( θ H 2 + δ H ) cos ( θ H 2 - δ H ) } + δ v
Figure DE102018100373B4_0008
Analogously, the angle γ equation (4) follows: γ = atan { tan ( θ v 2 - δ v ) × cos ( θ H 2 + δ H ) cos ( θ H 2 - δ H ) } - δ v
Figure DE102018100373B4_0009
Since the required total amplitude α the sum of the angles β and γ corresponds to, follows from the well-known equation (5), which applies to all u, v: atan u + atan u = u + v 1 - u v
Figure DE102018100373B4_0010
that according to equation (6) α = a t a n { [ tan ( θ v 2 - δ v ) + tan ( θ v 2 + δ v ) ] × cos ( θ H 2 + δ H ) × cos ( θ H 2 - δ H ) cos ( θ H 2 - δ H ) - [ tan ( θ v 2 - δ v ) × tan ( θ v 2 + δ v ) × cos 2 ( θ H 2 + δ H ) ] }
Figure DE102018100373B4_0011
with equation (7) ϑ = θ v - α 2
Figure DE102018100373B4_0012
applies.

Die ursprüngliche Wellenform, wie in Funktionskurve 36 dargestellt, und die Ausgleichsamplituden-Wellenform, wie in Funktionskurve 38 dargestellt, können entsprechenden der folgenden Gleichungen (8) bestimmt werden:

  • Durch Hinzuaddieren einer vertikalen, zweiten Schwingungsresonanzwellenform 39, die mit der horizontalen Schwingungsresonanz entsprechend der folgenden Gleichung (9) und wie in der Mitte von 8 dargestellt synchronisiert ist:
    • (a+b cos c) sin d
    • a = Verhältnis von (V Kippen und ½von V Scan-Winkel) zu maximalem Ausgleichswinkel
    • b = ½ des maximalen Ausgleichs
    • c = ½ der Bildwiderholungsrate
    • d = 2 c (1/2 v Auflösung) = c v Auflösung
    wird eine finale Wellenform 40 erhalten.
The original waveform as shown in function curve 36 and the compensation amplitude waveform as shown in function curve 38 can be determined according to equations (8) below:
  • By adding a vertical second vibration resonance waveform 39 corresponding to the horizontal vibration resonance according to the following equation (9) and as in the middle of FIG 8th is synchronized:
    • (a + b cos c) sin d
    • a = ratio of (V tilt and ½ of V scan angle) to maximum compensation angle
    • b = ½ of the maximum compensation
    • c = ½ the frame rate
    • d = 2 c (1/2 v resolution) = cv resolution
    a final waveform 40 is obtained.

In den obigen Beispielen wurde der Ausgleich für eine trapezförmige bzw. eine Keystone-Verzerrung dargestellt, die auf eine nicht-orthogonale Projektionsachse zurückzuführen ist. Das gleiche Prinzip kann für die Projektion auf gekrümmte Oberflächen angewendet werden, wie in 9 dargestellt. In diesem Fall müssen Amplitudenmodulationen auf beide Achsen angewendet werden, und, falls erforderlich, müssen zusätzliche Intensitätsmodulationen angewendet werden, um eine homogen bzw. gleichmäßig helle Anzeige bereitzustellen.In the above examples, the compensation for a trapezoidal or keystone distortion that can be traced back to a non-orthogonal projection axis was shown. The same principle can be applied for projection onto curved surfaces, as in 9 shown. In this case, amplitude modulations must be applied to both axes and, if necessary, additional intensity modulations must be applied in order to provide a homogeneous or evenly bright display.

Wie aus 9 ersichtlich ist, muss die grundlegende Korrektur für eine gekrümmte Oberfläche den geometrischen Unterschied zwischen der gekrümmten Projektionsoberfläche 32 und einer gedachten Projektionsebene 42 berücksichtigen.How out 9 As can be seen, the basic correction for a curved surface must be the geometric difference between the curved projection surface 32 and an imaginary projection plane 42.

Die Geometrie der gekrümmten Oberfläche entlang der Z-Achse in 9 wird in diesem Beispiel durch eine Parabel angenähert, was zu einem Umlenkungswinkel θ und einem Abstand r in Gleichung (10) führt: z = ( x  sin  θ cos  θ x sin  θ ) = ( r  sin  θ × tan θ ) r

Figure DE102018100373B4_0013
Folglich kann die korrigierte X-Koordinate für die obere rechte Ecke des Bilds (als Punkt 1 in 9 dargestellt) aus der folgenden Gleichung (11) gewonnen werden: x c o r r = ( d i s t a n c e cos ( V s w e e p 2 + V t i l t ) ) × tan ( H s w e e p 2 + H t i l t )
Figure DE102018100373B4_0014
wohingegen die korrigierte X-Koordinate für die untere rechte Ecke des projizierten Bilds aus Gleichung (12) gewonnen werden kann: x c o r r = ( d i s t a n c e cos ( V s w e e p 2 + V t i l t ) ) × tan ( H s w e e p 2 + H t i l t )
Figure DE102018100373B4_0015
wobei Vsweep und Hsweep die vertikalen und horizontalen Sweep-Winkel und Vtilt und Htilt die vertikalen und horizontalen Kippkorrekturwinkel bezeichnen.The geometry of the curved surface along the Z axis in 9 is approximated in this example by a parabola, resulting in a deflection angle θ and a distance r in equation (10) leads to: z = ( x sin θ cos θ - x sin θ ) = ( r sin θ × tan θ ) - r
Figure DE102018100373B4_0013
As a result, the corrected X coordinate for the upper right corner of the image (as point 1 in 9 can be obtained from the following equation (11): x c O r r = ( d i s t a n c e cos ( V s w e e p 2 + V t i l t ) ) × tan ( H s w e e p 2 + H t i l t )
Figure DE102018100373B4_0014
whereas the corrected X coordinate for the lower right corner of the projected image can be obtained from equation (12): x c O r r = ( d i s t a n c e cos ( V s w e e p 2 + V t i l t ) ) × tan ( H s w e e p 2 + H t i l t )
Figure DE102018100373B4_0015
where Vsweep and Hsweep denote the vertical and horizontal sweep angles and Vtilt and Htilt denote the vertical and horizontal tilt correction angles.

Auf diese Weise kann ein vollkommen unverzerrtes Bild auf jeder gekrümmten Oberfläche bereitgestellt werden, die zweckmäßig als Parabel angenähert werden kann.In this way a completely undistorted image can be provided on any curved surface which can conveniently be approximated as a parabola.

Zusammengefasst werden vermittels der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, die eine einfache Anpassung von Projektionsgeometrien an sich verändernde Projektionswinkel und sich verändernde Geometrien der Projektionsoberfläche ermöglichen.In summary, by means of the invention, a method and a device are provided which enable projection geometries to be easily adapted to changing projection angles and changing geometries of the projection surface.

Claims (15)

Verfahren zum Projizieren eines Bilds auf eine Oberfläche (32) wobei zumindest ein modulierter Projektionslaser (24) periodisch mit einer ersten Umlenkfrequenz und einer ersten Umlenkamplitude entlang einer ersten Achse (14) und mit einer zweiten Umlenkfrequenz und einer zweiten Umlenkamplitude entlang einer zweiten Achse (16) umgelenkt wird, wobei die zweite Achse (16) von der ersten Achse (14) verschieden ist, und wobei die periodische Umlenkung entlang der ersten Achse (14) und/oder zweiten Achse (16) mit einer Modulationsfrequenz und einer Modulationsamplitude zum Ausgleichen einer Verzerrung des Bilds frequenzmoduliert wird, wobei in einem Einrichtungsschritt die Modulationsfrequenz auf Null eingestellt, eine Verzerrung des Bilds aufgezeichnet, und die Modulationsfrequenz und/oder Modulationsamplitude zum Ausgleich der aufgezeichneten Verzerrung berechnet und auf die erste und/oder zweite Umlenkfrequenz angewendet wird.Method for projecting an image onto a surface (32), wherein at least one modulated projection laser (24) periodically with a first deflection frequency and a first deflection amplitude along a first axis (14) and with a second deflection frequency and a second deflection amplitude along a second axis (16 ) is deflected, wherein the second axis (16) is different from the first axis (14), and wherein the periodic Deflection along the first axis (14) and / or second axis (16) is frequency-modulated with a modulation frequency and a modulation amplitude to compensate for a distortion of the image, the modulation frequency being set to zero in a setup step, a distortion of the image being recorded, and the modulation frequency and / or modulation amplitude is calculated to compensate for the recorded distortion and applied to the first and / or second deflection frequency. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Achse (16) orthogonal zu der ersten Achse (14) ist.Procedure according to Claim 1 wherein the second axis (16) is orthogonal to the first axis (14). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Achse (14) eine horizontale Achse des projizierten Bilds (34) ist und die zweite Achse (16) eine vertikale Achse des projizierten Bilds ist.Procedure according to Claim 1 or 2 wherein the first axis (14) is a horizontal axis of the projected image (34) and the second axis (16) is a vertical axis of the projected image. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Modulationsfrequenz für die zweite Achse (16) mit der Umlenkfrequenz für die erste Achse (14) synchronisiert wird.Procedure according to Claim 3 , wherein the modulation frequency for the second axis (16) is synchronized with the deflection frequency for the first axis (14). Verfahren nach Anspruch 4, wobei durch Anwenden der Modulation auf die Umlenkung entlang der zweiten Achse (16) die zweite Umlenkamplitude um einen Gesamtmaximalausgleichswinkel α : α = a t a n { [ tan ( θ v 2 δ v ) + tan ( θ v 2 + δ v ) ] × cos ( θ h 2 + δ h ) × cos ( θ h 2 δ h ) cos ( θ h 2 δ h ) [ tan ( θ v 2 δ v ) × tan ( θ v 2 + δ v ) × cos 2 ( θ h 2 + δ h ) ] }
Figure DE102018100373B4_0016
moduliert wird, was zu einer maximalen Winkelabweichung gegenüber der nicht-modulierten Umlenkung von ϑ = θ v α 2
Figure DE102018100373B4_0017
führt, wobei θh den Winkel des horizontalen Sichtfelds der Projektion bezeichnet, θv den Winkel des vertikalen Sichtfelds der Projektion bezeichnet, δh den horizontalen Kippwinkel der Verzerrung bezeichnet, und δv den vertikalen Kippwinkel der Verzerrung bezeichnet.
Procedure according to Claim 4 , whereby by applying the modulation to the deflection along the second axis (16) the second deflection amplitude by a total maximum compensation angle α: α = a t a n { [ tan ( θ v 2 - δ v ) + tan ( θ v 2 + δ v ) ] × cos ( θ H 2 + δ H ) × cos ( θ H 2 - δ H ) cos ( θ H 2 - δ H ) - [ tan ( θ v 2 - δ v ) × tan ( θ v 2 + δ v ) × cos 2 ( θ H 2 + δ H ) ] }
Figure DE102018100373B4_0016
is modulated, resulting in a maximum angular deviation compared to the non-modulated deflection of ϑ = θ v - α 2
Figure DE102018100373B4_0017
where θh denotes the angle of the horizontal field of view of the projection, θv denotes the angle of the vertical field of view of the projection, δh denotes the horizontal tilt angle of the distortion, and δv denotes the vertical tilt angle of the distortion.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Wellenform für die periodische Umlenkung entlang der zweiten Achse (16) gegeben ist durch y o r i g i n a l = θ v 2 cos ( 2 π f r 2 )
Figure DE102018100373B4_0018
und die Wellenform für die periodische Modulation entlang der zweiten Achse gegeben ist durch y c o m p = v i n i t + α 2 cos ( 2 π f r 2 )
Figure DE102018100373B4_0019
wobei der anfängliche Ausgleich v i n i t = 2 δ v ϑ θ v
Figure DE102018100373B4_0020
ist.
Procedure according to Claim 5 , wherein the waveform for the periodic deflection along the second axis (16) is given by y O r i G i n a l = θ v 2 cos ( 2 π f r 2 )
Figure DE102018100373B4_0018
and the waveform for periodic modulation along the second axis is given by y c O m p = v i n i t + α 2 cos ( 2 π f r 2 )
Figure DE102018100373B4_0019
being the initial balance v i n i t = 2 δ v ϑ θ v
Figure DE102018100373B4_0020
is.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche (32), auf die das Bild projiziert wird, gekrümmt ist.A method as claimed in any preceding claim, wherein the surface (32) on which the image is projected is curved. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Modulationsfrequenz und/oder -Amplitude für die erste (14) und/oder zweite Achse (16) durch Berechnung des Schnittpunkts eines Strahls, der auf eine flache, gedachte Ebene (42) tangential zu der gekrümmten Oberfläche (32) projiziert, mit der gekrümmten Oberfläche (32) bestimmt wird.Procedure according to Claim 7 , wherein the modulation frequency and / or amplitude for the first (14) and / or second axis (16) by calculating the intersection of a ray projecting onto a flat, imaginary plane (42) tangential to the curved surface (32), is determined with the curved surface (32). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die periodische Umlenkung entlang der ersten Achse (14) und der zweiten Achse (16) durch einen MEMS-Spiegel (12) mit zwei Achsen, die der ersten (14) und zweiten Achse (16) entsprechen, bereitgestellt wird, und wobei ein erster Aktuator (18) den Spiegel (12) entlang der ersten Achse (14) mit der ersten Umlenkfrequenz schwingt, und ein zweiter Aktuator (20) den Spiegel (12) entlang der zweiten Achse (16) mit der zweiten Umlenkfrequenz schwingt, und wobei zumindest ein weiterer Aktuator (22) die erste Achse (14) und/oder die zweite Achse (16) mit der Modulationsfrequenz schwingt.Method according to one of the preceding claims, wherein the periodic deflection along the first axis (14) and the second axis (16) by a MEMS mirror (12) with two axes corresponding to the first (14) and second axis (16) , is provided, and wherein a first actuator (18) oscillates the mirror (12) along the first axis (14) at the first deflection frequency, and a second actuator (20) also oscillates the mirror (12) along the second axis (16) the second deflection frequency oscillates, and wherein at least one further actuator (22) oscillates the first axis (14) and / or the second axis (16) at the modulation frequency. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die periodische Umlenkung entlang der ersten Achse (14) durch einen ersten MEMS-Spiegel (26) und die periodische Umlenkung entlang der zweiten Achse (16) durch einen zweiten MEMS-Spiegel (28) bereitgestellt wird, und wobei ein erster Aktuator den ersten Spiegel entlang der ersten Achse (14) mit der ersten Umlenkfrequent schwingt und ein zweiter Aktuator den zweiten Spiegel entlang der zweiten Achse mit der zweiten Umlenkfrequenz schwingt, und wobei zumindest ein weiterer Aktuator zumindest einen weiteren Spiegel (30) mit der Modulationsfrequenz entlang der ersten Achse (14) und/oder der zweiten Achse (16) schwingt.Method according to one of the Claims 1 to 8th , wherein the periodic deflection along the first axis (14) is provided by a first MEMS mirror (26) and the periodic deflection along the second axis (16) is provided by a second MEMS mirror (28), and wherein a first actuator is provided first mirror oscillates along the first axis (14) with the first deflection frequency and a second actuator oscillates the second mirror along the second axis with the second deflection frequency, and at least one further actuator at least one further mirror (30) with the modulation frequency along the first Axis (14) and / or the second axis (16) swings. Laserprojektionsvorrichtung (10), die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist.Laser projection device (10) which is set up to carry out a method according to one of the preceding claims. Laserprojektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 11, wobei der erste Aktuator (18) einen Piezo-Aktuator und/oder der zweite Aktuator (20) einen Piezo-Aktuator und/oder der dritte Aktuator (22) einen Piezo-Aktuator umfasst.Laser projection device (10) according to Claim 11 wherein the first actuator (18) comprises a piezo actuator and / or the second actuator (20) comprises a piezo actuator and / or the third actuator (22) comprises a piezo actuator. Laserprojektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 12, wobei der erste Aktuator (18) als Piezo-Aktuator einen elektrostatischen Aktuator umfasst, und/oder der zweite Aktuator (20) als Piezo-Aktuator einen elektromagnetischen Aktuator umfasst, und/oder der dritte Aktuator (22) als Piezo-Aktuator einen elektrostatischen Aktuator, umfasst.Laser projection device (10) according to Claim 12 , wherein the first actuator (18) as a piezo actuator comprises an electrostatic actuator, and / or the second actuator (20) as a piezo actuator comprises an electromagnetic actuator, and / or the third actuator (22) as a piezo actuator comprises an electrostatic one Actuator, includes. Fahrzeug mit einer Laserprojektionsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13.Vehicle with a laser projection device (10) according to one of the Claims 11 to 13th . Fahrzeug nach Anspruch 14, wobei die Laserprojektionsvorrichtung (10) eine Head-Up-Display Projektionsvorrichtung zum Projizieren eines Bilds auf eine Windschutzscheibe des Fahrzeugs ist.Vehicle after Claim 14 wherein the laser projection device (10) is a head-up display projection device for projecting an image onto a windshield of the vehicle.
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